生物物理学

苍蝇的脸

一个美国团队破译了机翼的细微运动,使果蝇在飞行中快速旋转。

莫里斯·玛莎(Maurice mashaal)
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即使苍蝇有时非常烦人,也必须承认它们具有出色的航空才能。他们的空中杂技非常出色,没有任何人造装置可以做到。几年来,美国康奈尔大学的Jane Wang团队专门研究昆虫飞行。她刚刚分析了果蝇(或醋飞蝇, 果蝇)调节翅膀的倾斜度,使其在飞行中突然旋转。

该团队由四名物理学家和一位数学家组成,首先着手测量在盒子内自由飞行的果蝇的运动学特征。为此,它使用了三台高速摄影机,以每秒8,000帧的速度拍摄,相当于每个机翼襟翼约35帧。三个摄像机垂直对准外壳的三个相邻壁,每个壁都被投影仪以直角强光照射。相机因此拍摄了投射在三个垂直平面上的苍蝇的阴影。从这三个二维轮廓中,研究人员开发的算法能够重构苍蝇在三维空间中的飞行和位置。

J. Wang的团队专注于苍蝇进行120度转弯的情况:昆虫几乎翻了过来,大约80毫秒和18次拍打。果蝇如何如此轻松地实现这一壮举?通过在机翼的倾斜度和右侧和左侧之间引入微妙的不对称性。对于右枢轴,研究人员发现左机翼前后左右对称,与机翼的平均攻角相同(约49度)。蝇体的轴,假定为水平;因此,净阻力为零。相反,向前挥动时右翼的平均迎角为49度,向后挥动时仅为40度。由于阻力越大,迎角越大,结果就是该机翼的净后向阻力。结果,昆虫顺时针旋转。

为了了解昆虫如何控制这些运动,J。Wang和他的同事分析了机翼的位置和方向。使用相应的旋转运动方程,它们又回到了苍蝇在机翼与机体的铰接处所施加的扭矩。通过整合先前研究的结果并依靠模型,他们得出的结论是,机翼接头的行为就像是旋转弹簧或扭力弹簧,其平衡方向通常是垂直的(机翼相对于此方向对称摆动)。要枢转,果蝇只需要调节其一只翅膀的关节的平衡方向即可。通过修改机翼“弹簧”的平衡轴,向前和向后的迎角不再相等,从而导致平均阻力为非零,从而旋转'昆虫。一种简单的机制(机翼“弹簧”的平衡轴旋转几度),飞行过程几乎不需要费力,因为只涉及一个参数。

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